煤矸石-粉煤灰基發(fā)泡陶瓷的制備與性能研究

戴永剛 張國(guó)濤 楊景琪

摘 要：以北方某地區(qū)煤矸石、粉煤灰作為主要原料，以膨潤(rùn)土、廢小蘇打作為輔料，碳化硅微粉作為發(fā)泡劑，采用粉料堆積法制備了發(fā)泡陶瓷板材。對(duì)煤矸石、粉煤灰、發(fā)泡劑的加入量以及燒成制度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：煤矸石、粉煤灰的加入量分別控制在35%和40%，膨潤(rùn)土5%，廢小蘇打2%，石英石18%，燒成溫度1180℃保溫30min可以制得性能優(yōu)異的發(fā)泡陶瓷，其體積密度503 kg/m3，抗壓強(qiáng)度8.35 MPa，孔隙率65.3%，表觀孔徑0.5 ～ 1 mm。

關(guān)鍵詞：煤矸石;粉煤灰;發(fā)泡陶瓷

1 前 言

我國(guó)火力發(fā)電和煤炭業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物如煤矸石、粉煤灰等。露天堆放，占用大量的土地資源。近幾年的發(fā)展中，有少部分煤矸石、粉煤灰被應(yīng)用于水泥、墻磚、加氣混凝土砌塊等建筑材料，屬于低端產(chǎn)品也用量有限，無(wú)法大宗處理，提高固廢的利用量和產(chǎn)品的附加值是綠色產(chǎn)品的重要發(fā)展方向之一。

粉煤灰顆粒表面粗糙，呈灰色堿性，含有多種不同元素，有大量的Al、Si、Ca、Fe、K、Mg等元素，另外還含有一些微量有毒元素。粉煤灰的礦物可分為無(wú)定型相和結(jié)晶相2類(lèi)，無(wú)定形相主要是玻璃相和少量無(wú)定形碳，結(jié)晶相主要有莫來(lái)石、磁鐵礦、赤鐵礦、石英、石墨以及少量硅酸鹽、方鋁礦、褐鐵礦、金紅石等[1]。目前，粉煤灰可以作為工業(yè)資源加工、應(yīng)用的替代品，如加入到水泥混凝土制品中、作為滲透過(guò)濾材料、作為輕質(zhì)聚集料添加至建筑材料中等。另外，粉煤灰作為吸附劑在清理廢氣、廢水等方面也可大量應(yīng)用。

煤矸石是由多種礦物巖構(gòu)成的混合物，礦物巖的礦物組分又不盡相同，其成分十分復(fù)雜，在煤矸石中通常以SiO2、Al2O3為主，還含有不同量的堿金屬和堿土金屬。另外，在煤矸石中還含有部分有機(jī)質(zhì)，包括C、H、O、N、S等元素。

以煤矸石、粉煤灰作為主材，通過(guò)添加適量的輔助原料和高溫發(fā)泡劑制備孔徑均勻性能優(yōu)異的發(fā)泡陶瓷墻板，應(yīng)用于建筑作為墻體材料規(guī)模應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)大宗利用煤矸石、粉煤灰的目的，產(chǎn)品的力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗彎承載、吊掛力等）和孔隙率表現(xiàn)優(yōu)異。另外，可根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同調(diào)整產(chǎn)品性能。

2 試驗(yàn)內(nèi)容和研究方法

2.1 試驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)使用的主要原料如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中主要原料的化學(xué)成分分析如下表2。

2.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所采用的主要儀器設(shè)備如表3所示。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)原料的化學(xué)成分，計(jì)算出各種原料在配方中的比例，準(zhǔn)確稱(chēng)量后加入40%的水快速球磨，球磨時(shí)間為7 min/100 g干料，球磨完成后干燥制粉，使用匣缽放入高溫電爐中以設(shè)定的燒成制度燒制，燒制完成后自然冷卻至室溫，取樣去皮檢測(cè)樣品物理性能。

3 結(jié)果討論與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)用煤矸石、粉煤灰、發(fā)泡劑的熱分析

圖1為煤矸石的TD-DSC曲線(xiàn)，由圖可知，從室溫到400℃之間質(zhì)量變化緩慢，此階段主要是煤矸石中的自由水和吸附水的排出，在400 ～ 750℃之間曲線(xiàn)失重變化加快，此階段主要是部分結(jié)構(gòu)水的排出，之后趨于緩慢。煤矸石吸熱達(dá)到峰值是在1100 ～ 1120℃附近。

圖2為粉煤灰的TD-DSC曲線(xiàn)，由圖可知，隨著溫度的升高，由于粉煤灰活性的影響，開(kāi)始大量吸熱，室溫到500℃之前緩慢失重，在800℃和950℃左右有2個(gè)小放熱峰，原因是粉煤灰中無(wú)定形氧化硅發(fā)生了反應(yīng)，同時(shí)粉煤灰中的莫來(lái)石晶粒進(jìn)一步析晶長(zhǎng)大。500 ～ 900℃之間，失重急劇增大，總失重9.63%，此溫度區(qū)間也是吸熱量明顯增加。因此在試制發(fā)泡陶瓷過(guò)程中需要重點(diǎn)控制該區(qū)段的燒成制度。900℃以后失重趨于平緩，出現(xiàn)放熱峰。

圖3為發(fā)泡劑的TD-DSC曲線(xiàn)，由圖可知，發(fā)泡劑吸熱曲線(xiàn)趨于線(xiàn)性關(guān)系，室溫到900℃之前失重極其緩慢，主要是釋放自由水和吸附水以及摻雜進(jìn)去的微量有機(jī)質(zhì)等。900℃開(kāi)始較之前有明顯的增重，發(fā)泡劑微粉已經(jīng)開(kāi)始氧化，此時(shí)的吸熱量也較之前溫度區(qū)間有明顯增加。由此推斷發(fā)泡劑可能在900℃開(kāi)始作用，需要在制備發(fā)泡陶瓷時(shí)注意發(fā)泡區(qū)段的控制。

3.2 發(fā)泡陶瓷配方研究

按照表4中配方配料，并按一定的燒成溫度制度在坩堝中試燒。結(jié)果表明，H-1、H-2、H-3均發(fā)泡，表面呈棕黃色，外形呈面包狀，斷面觀察泡孔大小不均勻，且泡孔有扁平狀，并伴有融洞泡的出現(xiàn)。分析可能是由于粉料高溫粘度低，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體過(guò)多氣泡不能很好包裹在熔融體中，當(dāng)氣泡體積增大到一定程度且高溫液相黏度較低時(shí)，氣泡會(huì)發(fā)生上浮，相互融合成大孔導(dǎo)致融洞泡的產(chǎn)生，氣泡破裂氣體逸出也會(huì)出現(xiàn)扁平狀氣孔。

減少發(fā)泡劑的用量，從而減少高溫氣體的產(chǎn)生，防止泡孔連接產(chǎn)生融洞大泡及泡孔的扁平化。按照表5中配方配料，并按一定的燒成溫度制度在坩堝中試燒。結(jié)果表明，K-1、K-2、K-3均發(fā)泡，表面呈棕黃色，外形呈面包狀，斷面觀察泡孔較均勻，泡孔較圓，且看不到融洞大泡。減少發(fā)泡劑的用量，使其在產(chǎn)生氣泡階段，氣泡的密集程度在合理范圍，在氣泡的長(zhǎng)大階段，滿(mǎn)足了粉料在熔融狀態(tài)下的包裹能力，不至使氣泡沖破包裹體相互連通成大孔。

挑選出其中較優(yōu)配方K-2，堆料試燒，發(fā)泡且發(fā)泡高度不夠，表面呈棕灰色，斷面觀察中間有大孔且發(fā)黑。由于主料的燒失較大，在預(yù)熱溫度區(qū)域，粉料的雜質(zhì)沒(méi)有完全排干凈，導(dǎo)致在高溫區(qū)域，粉料液化，雜質(zhì)被埋在粉料當(dāng)中無(wú)法排出，產(chǎn)生大融洞泡。

改變燒成制度（0 ～ 400℃，50 min;400 ～ 900℃，125 min;900 ～ 1180℃，80 min;1180℃，60 min）使粉料中的雜質(zhì)在預(yù)熱區(qū)域可以完全排干凈，在預(yù)熱區(qū)域給其充分時(shí)間。結(jié)果發(fā)泡樣品密度為603 kg/m3，表面呈棕灰色，斷面觀察融洞大泡消失，延長(zhǎng)預(yù)熱帶時(shí)間有效。切割樣品后發(fā)現(xiàn)，橫截面的泡孔均勻，表面泡孔較大些。由于粉料在高溫階段熔融狀態(tài)下，表面的溫度較高，導(dǎo)致表面的熔融黏度降低，表面的泡孔表面張力小，不能很好的包裹氣體，導(dǎo)致泡孔的長(zhǎng)大。

提升粉料的高溫黏度，從而防止粉料在高溫區(qū)表面溫度過(guò)高，因粉料黏度不夠?qū)е卤砻媾菘纵^大，使上下表面泡孔大小不一。按照表6中配方配料，并按一定的燒成溫度制度在坩堝中試燒。結(jié)果表明，H-2A、H-2B、H-2C均發(fā)泡，表面呈棕灰色，外形呈面包狀，H-2A的密度為660 kg/m3，H-2B的密度為611 kg/m3，H-2C的密度為587 kg/m3。三個(gè)配方上下泡孔逐漸均勻。H-2C效果最好，復(fù)試幾次結(jié)果很穩(wěn)定，密度在要求范圍內(nèi)，且泡孔均勻，無(wú)融洞大孔產(chǎn)生。

為提高廢渣的利用率，按照表7中配方配料，并按一定的燒成溫度制度在坩堝中試燒。燒后表面呈棕灰色，外形呈面包狀，H-2E的密度為608 kg/m3，H-2F的密度為515 kg/m3。試切樣品，兩個(gè)均底部燒結(jié)但未發(fā)泡，面泡泡孔較大。廢渣的燒失較大，在400 ～ 900℃有害氣體沒(méi)有完全排干凈;隨著廢渣的加多，由于鈣含量的加大，粉料的高溫黏度不是很好，且燒成范圍過(guò)窄，到達(dá)某一溫度界限，粉料的迅速液化，導(dǎo)致粉料的發(fā)泡難以控制。改變燒成制度，采用低溫慢燒高溫快燒。

改變H-2E、H-2F的燒成制度，在低溫區(qū)給其足夠時(shí)間排氣，在中溫區(qū)讓粉料充分受熱均勻，高溫去迅速燒過(guò)，防止有用氣體因高溫黏度差而排出。燒成制度：0 ～ 400℃，50 min;400 ～ 900℃，145 min;900 ～ 1150℃，120 min;1150 ～ 1180℃，6 min;1180℃，30 min。結(jié)果表明，H-2E密度為446 kg/m3，H-2F密度為385 kg/m3，表面呈棕灰色，外形呈面包狀。H-2E發(fā)泡均勻，發(fā)泡比1：1.2，斷面泡孔圓，泡孔孔徑1 mm以下。H-2F發(fā)泡孔徑較大，斷面泡孔不均勻。改變溫度制度對(duì)于發(fā)泡效果有明顯提升。最佳配方為H-2F，表8所示為H-2F試樣的性能參數(shù)。優(yōu)選方案發(fā)泡陶瓷試樣的外觀孔徑大小在0.2 ～ 0.5 mm之間，孔徑細(xì)密均勻，產(chǎn)品偏灰色調(diào)，如下圖4所示。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)配方中煤矸石含量30%，粉煤灰含量25%，發(fā)泡劑添加量控制在0.18%，F(xiàn)C-2#的含量為0.25%時(shí)，在1180℃保溫60 min，產(chǎn)品外觀孔徑均勻，密度在587 ～ 660 kg/m3。

（2）當(dāng)配方中煤矸石含量35%，粉煤灰含量35%，發(fā)泡劑添加量控制在0.14%時(shí)，在1180℃保溫30 min，產(chǎn)品外觀孔徑均勻細(xì)密，密度503 kg/m3，抗壓強(qiáng)度7.35 MPa，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

（3）在利用煤矸石、粉煤灰制備發(fā)泡陶瓷墻板時(shí)，由于原料的燒失量較大，需要有效控制窯爐燒成工藝，避免熔洞產(chǎn)生而影響產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)質(zhì)量。

（4）煤矸石、粉煤灰的原料來(lái)源復(fù)雜需要預(yù)先處理，方可確保生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行。

（5）鈣含量的大量引入，其燒成范圍窄，始熔點(diǎn)不容易控制，高溫黏度差，導(dǎo)致發(fā)泡氣體逸出，或是連通成大泡，因而燒成制度采用低溫慢燒高溫快燒，確保產(chǎn)品發(fā)泡均勻無(wú)局部大泡，從而不因局部大泡產(chǎn)生應(yīng)力而裂板。

參考文獻(xiàn)

[1] 程光甫，宋存義.粉煤灰的基本分析[J].粉煤灰綜合利用，1992，01：27-30;

[2] 蔡飛虎，馮國(guó)娟.陶瓷墻地磚生產(chǎn)技術(shù)[M].武漢理工大學(xué)出版社，2011.

Preparation and Properties of Coal Gangue-fly Ash Based Foaming Ceramics

Dai Yong-gang 1， Zhang Guo-tao 2， Yang Jing-qi 2

（ 1. Guangdong KITO Ceramic Group Co.， Ltd.;

2. Foshan? KITO Green Energy New Material Technology CO.，LTD. ）

Abstract： The foamed ceramic was prepared by powder stacking method with coal gangue and fly ash as main raw materials， bentonite， waste baking soda as auxiliary material and silicon carbide powder as a foaming agent. The content and firing system of coal gangue， fly ash and foaming agent were studied. The experimental results show that the foamed ceramics can be prepared by controlling the amount of coal gangue and fly ash at 35% and 40%， bentonite 5%， waste baking soda 2%， quartz 18% at 1180 ℃ for 30 min. The foamed ceramics have excellent properties， i.e.， volume density for 503 kg/m3， the compressive strength for 8.35 MPa， the porosity for 65.3%， and the apparent pore size for 0.5 ～ 1 mm.

Keywords： Coal Gangue; Fly ash; Foamed ceramics